Khái niệm chất bán dẫn là gì? Ứng dụng vật liệu bán dẫn

Chất bán dẫn là gì? Có ứng dụng như thế nào trong cuộc sống? Đã bao giờ các bạn thắc mắc và có ý định muốn khám phá, tìm hiểu chưa? Qua bài viết hôm nay, chúng tôi sẽ cung cấp các thông tin hữu ích, giúp các bạn giải đáp mọi khúc mắc xung quanh vấn đề này.

Khái niệm về chất bán dẫn

Chất bán dẫn là những chất có độ dẫn điện ở mức trung gian vừa dẫn điện và vừa cách điện. Chất bán dẫn được xem như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Gọi là “bán dẫn” vì ở một điều kiện nào đó chất này sẽ dẫn điện, còn ở điều kiện khác sẽ không dẫn điện.

Thuộc tính chất bán dẫn

Độ dẫn điện trong vật liệu bán dẫn

Các chất bán dẫn dẫn điện kém ở nhiệt độ bình thường. Khoa học kỹ thuật ngày nay đã có nhiều cải tiến khắc phục tình trạng này, để chúng tạo ra nhiều electron tự do, nhờ một số tạp chất hoặc hiệu ứng trường dành cho chất bán dẫn giúp dẫn điện tốt hơn.

Hiệu ứng trường

Khi kết hợp hai lớp p-n với nhau điều này dẫn đến việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc p-n. Các điện tử từ n sẽ chuyển sang lớp p và ngược lại các lỗ trống lớp p chuyển sang lớp n do quá trình trung hòa về điện. Một sản phẩm của quá trình này là làm ion tích điện, tạo ra một điện trường.

Vùng năng lượng

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính, đó là:

• Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
• Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
• Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.

Bản chất dòng diện trong vật liệu bán dẫn

Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn thuần

Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện tử và làm gãy một số nối hóa trị. Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có thể di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường. Tại các nối hóa trị bị gãy ta có các lỗ trống (hole). Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng nhiệt năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hóa trị.

Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (0,7eV đối với Ge và 1,12eV đối với Si), điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống (trạng thái năng lượng trống) trong dải hóa trị. Ta nhận thấy số điện tử trong dải dẫn điện bằng số lỗ trống trong dải hóa trị.

Nếu ta gọi n là mật độ điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện và p là mật độ lỗ trống có năng lượng trong dải hóa trị. Ta có: n=p=ni

Ta gọi chất bán dẫn có tính chất n=p là chất bán dẫn nội bẩm hay chất bán dẫn thuần. Thông thường người ta gặp nhiều khó khăn để chế tạo chất bán dẫn loại này.

Bán dẫn pha tạp

Gồm có chất bán dẫn loại N (bán dẫn âm) và bán dẫn loại P (bán dẫn dương):

• Chất bán dẫn loại N: Cho một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do. Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử (mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N (Negative: âm).
• Chất bán dẫn loại P: Cho một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử, trở thành lỗ trống (mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn P.

Ứng dụng của chất bán dẫn

Chất bán dẫn không phải là vật chất mà mọi người thường thấy trực tiếp bên ngoài, nên khá khó hiểu và mường tượng ra được, tuy nhiên thực tế được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị hiện đại, như:

– Cảm biến nhiệt độ trong điều hòa, hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác trong nồi cơm điện có sử dụng chất bán dẫn. Bộ vi xử lý của máy tính CPU cũng được làm từ các nguyên liệu chất bán dẫn…. Nhiều thiết bị thông minh khác như điện thoại di động, máy ảnh, TV, máy giặt, tủ lạnh và bóng đèn LED cũng sử dụng chất bán dẫn. Hoặc trong hoạt động của cây ATM, xe lửa, internet, thiết bị truyền thông….

– Ngoài ra, tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền p rất mỏng kẹp giữa hai miền n và n gọi là tranzito lưỡng cực n-p-n được ứng dụng nhiều để lắp mạch khuếch đại và khóa điện tử.

Qua một số thông tin mà chúng tôi chia sẻ ở trên, hy vọng sẽ giúp các bạn có những kiến thức cơ bản về chất bán dẫn. Sự xuất hiện của chất bán dẫn đã mang lại nhiều lợi ích trong ứng dụng cuộc sống của con người, góp phần phát triển các thiết bị điện hiện đại.